CN107070456A - 电流数模转换器及将数字信号转换成模拟信号的方法 - Google Patents

电流数模转换器及将数字信号转换成模拟信号的方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种用于减少电流数模转换器(IDAC)的噪声和失真的装置和方法。补偿电容可以被连接到IDAC的电流源。补偿电容可以IDAC的输出得到的信号来驱动，以抵消将在IDAC的输出发生的瞬时电流尖峰。

Description

电流数模转换器及将数字信号转换成模拟信号的方法
技术领域
本申请总体上涉及用于在Σ-Δ调制器，可消除导致模数转换器的转换误差的误差来源的相关电路和方法。
背景技术
模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)被广泛用于各种电子设备和系统，如移动电话，音响设备，图像捕获设备，视频设备，通信系统，传感器和测量设备，雷达系统，及其他应用当中。一个典型的ADC是一种电子电路，被配置成接收模拟信号，其通常是一个随时间变化的信号，ADC反复以离散的时间间隔对模拟信号进行采样，并且在每个采样时间间隔输出数字信号(例如，一位序列(bit sequence)或数字字(digital word))，它代表在采样间隔内该模拟信号的值。因为ADC的输出是一个N位序列，模拟信号被离散成M＝2N整数值。N被称为ADC的位分辨率(bit resolution)。例如，如果一单端ADC是8位设备，则输入信号可被离散化为28＝256的值(0，1，2，3...255)。
典型的ADC有几种类型，并且它们可分为两组：具有单位(single-bit)量化(例如，比较器)的ADC和具有多位(multi-bit)量化(例如，N位ADC)的ADC。多位量化的ADC可包括压控振荡器(VCO)为主的ADC，Σ-ΔADC，逐次逼近寄存器ADC和闪存型ADC，等等。多位Σ-ΔADC在无线和有线通信系统越来越多地使用。尽管这些类型的ADC比闪速ADC慢，例如，它们能够有非常高的位分辨率和高转换精度。Σ-ΔADC的一个方面是，它的Σ-Δ调制器(modulator)可将误差引入Σ-ΔADC的输出，这可导致符号间干扰(inter-symbolinterference)和信号转换错误。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电流数模转换器及将数字信号转换成模拟信号的方法，以有效地解决上述问题。Σ-Δ调制器可以包括电流数模转换器(IDAC)，其包括一或多个可切换开关的电流源，为驱动IDAC的一或多个模拟输出。电流源可以具有相关联的电容。电流源的切换可以在IDAC的输出产生电流尖峰(current spikes)。在某些情况下，这些电流尖峰可以导致Σ-Δ模数转换器中噪声和符号间干扰。补偿电容器可以被连接到电流源并被信号驱动，以减少电流尖峰。
依据本发明的一方面，提供了一种电流数模转换器，包括：第一电流源和第二电流源中的至少一个，其中该第一电流源被设置成提供电流到一第一输出，该第二电流源被设置成从该第一输出拉电流；第一补偿电容和第二补偿电容中的至少一个，其中该第一补偿电容被设置成连接到该第一电流源，该第二补偿电容器被设置成连接到该第二电流源；以及驱动电路，被设置成提供电流到该第一补偿电容和该第二补偿电容的至少一个。
依据本发明的一方面，提供了一种电流数模转换器，包括：一第一电流源，设置成提供电流到电流数模转换器的一第一输出或从该第一输出拉电流；一第一补偿电容，连接到该第一电流源；一参考节点，连接该第一输出；以及驱动电路，设置成提供电流到该第一补偿电容。
依据本发明的一方面，提供了一种将数字信号转换成模拟信号的方法，该方法包括：驱动连接在一第一电流源与一第一输出之间的一第一开关；当该第一开关被驱动以连接该第一电流源和该第一输出时，放大该第一输出的一第一信号；提供该放大的第一信号到一第一补偿电容，该第一补偿电容连接该第一电流源；以及提供该第一输出至一Σ-Δ调制器。
在阅读各个附图中例示的优选实施例的如下详细描述之后，本发明的这些和其他目的对本领域技术人员来说无疑将变得显而易见。
附图说明
图1描述了根据一些实施方式的Σ-Δ调制器的示例。
图2描述了根据一些实施方式的电流数模转换器(IDAC)电路的示例。
图3A描述了根据一些实施方式的用于IDAC的开关控制的示例。
图3B描述了根据一些实施方式，如图2所示的IDAC的节点SSp的电压示例。
图3C描述了根据一些实施方式，如图2所示的IDAC的节点SSn的电压示例。
图3D描述了根据一些实施方式，如图2所示的IDAC发生电流尖峰的示例。
图4A和图4B描述了根据一些实施方式，补偿关联电容的IDAC电路示例。
图5示出了没有为关联电容进行补偿的IDAC的信噪加失真率比(signal-to-noiseplus distortion ratio)的模拟结果。
图6示出了根据本实施方式，为关联电容进行补偿的IDAC的信噪加失真率比的模拟结果。
具体实施方式
图1描绘可在Σ-Δ转换器中使用的一Σ-Δ调制器100。所示的例子仅用于举例说明目的，并且不打算限制Σ-Δ调制器的结构。图1示出了一阶Σ-Δ调制器，但本发明不限于一阶调制器。本实施例的误差消除可以用于较高阶调制器，如二阶和三阶Σ-Δ调制器。
在一些实施方案中，Σ-Δ调制器100可以被包括在Σ-Δ转换器的前端，并且被配置在输入端101接收模拟信号，在输出端150输出串列的数字脉冲。在一些实施方式，Σ-Δ调制器100可以作为连续时间调制器进行操作。一阶Σ-△调制器100可包括一加法器110，一积分器120，一比较器130，和具有电流数模转换器(IDAC)140的一反馈回路。比较器的一部分输出通过IDAC140反馈，并在IDAC 140从数字信号转换成模拟信号。来自IDAC的模拟信号提供到加法器110，并从输入信号中减去。从比较器130输出的脉冲串流可以被提供给输出端150和送到一计数器(未示出)。计数器可以在一个采样时间间隔期间计数脉冲数，以确定对应于在输入端101接收的采样后的模拟信号电平的数字信号电平。
举例，IDAC140的进一步细节在图2所示的IDAC电路200所描绘。根据一些实施方案，IDAC200可包括推拉电流源(push and pull current sources)210，212，其被切换接通和关闭，以从第一和第二输出OUTP，OUTN推和拉电流。电流源210，212的切换开关可以通过间歇地驱动晶体管M1，M2，M3和M4来完成，其中晶体管M1，M2，M3和M4由一脉冲信号(例如，从比较器130来的脉冲信号)和该脉冲信号的反向施加于输入EN，来驱动。第一和第二输出OUTP，OUTN可以作为差分对施加到加法器110，或一个输出可以接地而另一个施加到加法器110。电流源210，212可以是基本相同的电路，配置为连接到供应电压VP，Vn，供应电压VP，Vn可以是任何合适的DC电源。
发明人已经认识到和理解的是，电流源210，212通常是相似或相同的设计，并且可以具有相关的电阻Rp和电容Cp，被表现为与电流源并联的元件，如图2所示。相关电阻Rp和相关电容Cp可以是寄生元件，分立元件，或寄生和分立元件的组合。小的电压跳动可能出现在IDAC的加总点，导致IDAC的输出出现电流尖峰。然后电流尖峰通过Σ-Δ转换器的积分器120，形成的电流尖峰积分可能导致转换错误。在一些情况下，电流尖峰贡献噪声和符号间干扰，可能导致转换错误。
图3A示出根据一些实施例，可用于驱动图2的IDAC电路的脉冲信号的一个例子。例如，图3A的信号EN可以施加到IDAC200的EN输入，其反向信号可以施加到IDAC的输入。脉冲信号可以是比较器130的输出。电流源210，212的快速切换在节点SSP和SSN造成小电压变化V(t),-V(t),分别如图3B和图3C所示。这些电压的跳跃是可能导致相关的电容Cp，Cn被电流I(t)充电和放电。这些电压跳跃也导致在IDAC输出电流尖峰310，其中图3D描述OUTP端的一个示例。电流尖峰与OUTN符号(sign)相反。这些电流尖峰通过在Σ-Δ调制器的积分器120，形成的电流尖峰积分导致小误差并被加到积分后的模拟信号。这些错误可导致模拟-数字转换的错误。
发明人已经认识到和理解的是，通过在IDAC电路400加入补偿电容Cp'，Cn'，并通过用大致相同的幅度和相反的符号的电流(如图4A中描绘)驱动补偿电容Cp'，Cn'，可以有效地消除或降低前述的电压跳跃和电流尖峰。补偿电容可以和其对应电容有大致相同的电容值通过加入补偿电容和相关的电流驱动器，任何对相关电容充电的电流将基本上会被由驱动器提供给补偿电容的电流所抵销。
根据一些实施例，补偿电容的电容值可以通过电路模拟来确定。例如，以图4A中的电路，负的电容值可以被添加并连接到地。模拟可为每个负电容值扫描调制频率，并且监控IDAC的输出阻抗的高频部份的转角频率。负电容值可以被改变来移动高频部份的转角频率到更高的频率，并选择产生最高转角频率的负电容值的相应的正电容值。
根据一些实施例，如图4B所示，一驱动电路500用于驱动补偿电容Cp'，Cn'。驱动电路500可包括一具有差分输出的低增益开环放大器510。在一些实施例中，放大器510的增益是可调节的。放大器510可以具有和Σ-Δ转换器的采样频率一样或更高的工作带宽(bandwidth)。放大器的反相输入端514可连接到一参考电压Vcm，参考电压Vcm基本上等于IDAC的平均输出电压。放大器的非反相输入端512可连接到开关电路，开关电路交替地从IDAC400的两个输出OUTP，OUTN之一提供信号。开关电路可包括晶体管M5，M6，其可以由前述的两个驱动信号EN，来驱动。
在一些实施例中，VCM可以是被输入到调制器100中的共模信号，并且可以从输入端101得到。输入端101可以包括差分输入接收两个输入信号INp，INn(例如用于一模拟-数字转换)。VCM可以用求和和除法电路来获得，对两个输入信号INp，INn取平均，即，VCM＝(INP+INn)/2。
在一些实施例中，适量的电流可以通过驱动电路提供给补偿电容，驱动电路对补偿电容Cp'，Cn'施加与节点SSP，SSn的电压跳跃成正比但符号相反的电压。例如，约为两倍于节点SSP，SSn电压跳跃的幅度的电压可跨补偿电容施加。根据一些实施例，输出OUTP，OUTN上的电压跳跃V可被侦测。
在一些实施例中，放大器510的输出直接连接到两个补偿电容Cp'，Cn'(例如，图4A和图4B中，标示为P1的两个管脚连接在一起而标示为P2的两个管脚连接在一起)。在一些实施例中，在放大器的输出和补偿电容之间可以存在衰减器(attenuator)和/或移相器(phase shifter)，来调整回授到IDAC400的信号。放大器的增益可以通过放大器510内部的组件调整。根据一些实施例，放大器510的增益可为大约1.5和大约2.7之间。在一些实施例中，放大器的带宽可以是大约2千兆赫(GHz)和大约4千兆赫之间。
Σ-Δ调制器的模拟光谱示于图5和图6。在图5，IDAC的相关电容值取为10毫微微法拉(femtofarads)，输入调制频率(fIN)为约36兆赫(MHz)，过采样比(OSR)为9，调制器的采样频率为约2.9千兆赫，而调制器的带宽(BW)约为160兆赫。IDAC的模拟输出功率谱被绘制在大约1兆赫至约1千兆赫(图示之暗线)的频率范围之间。图5还绘制Σ-Δ调制器的量化噪声的理论值的功率谱(图示之亮虚线曲线)。计算出的信号-噪声加失真比(signal-to-noise plus distortion ratio，SNDR)约为72.6分贝(dB)。
图6绘制了包括补偿电容器Cp'，Cn'和驱动电路500的IDAC的模拟输出功率谱。在同图5的比较可以看出，噪声功率谱明显减少。计算出的信号-噪声加失真比增加到约80.4分贝，约有8分贝的改进。
尽管上述实施例以Σ-Δ调制器进行了说明，补偿电容可在用于其它目的的电流数模转换器中使用。补偿电容可以被连接到电流源210和212的任一侧上，且不是仅在附图中所示的节点。当补偿电容连接到电流源的另一侧时，驱动电流或施加电压的符号或方向可能会反转。在一些实施例中，补偿电容器可以被连接到电流源210，212，使得相同符号的电流或电压可以被用来驱动每个电容器。在这种情况下，放大器510可以是单极(unipolar)或单面(single-sided)输出放大器。
一补偿电容和相关的驱动器也可以在单极IDAC实现。例如，再次参考图图4A中，第二电流源212用于从IDAC提供双极(bipolar)输出。在一些实现例中，第二电流源可以被一参考节点取代，参考节点布置为连接到一参考电位，例如地(ground)。因此，可能只需要一个单一的补偿电容Cp'和相关的单极驱动器。可替代地，可使用第二电流源212并可以一参考节点取代第一电流源210，参考节点布置为连接到一个负向参考电位，单极输出，并且仅需要单个补偿电容Cn'。换句话说，所提出的IDAC包括第一电流源210和/或第二电流源212中的至少一个，第一补偿电容器Cp'和/或第二补偿电容器Cn'中的至少一个，并且驱动电路500被配置为提供电流到第一补偿电容器Cp'和/或第二补偿电容器Cn'的至少一个。
根据一些实施方案，操作IDAC的方法可包括以第一信号驱动连接在第一电流源210与第一输出OUTP之间的第一开关M1，以第二信号驱动连接在第二电流源212与第一输出OUTP之间的第二开关M2。操作IDAC的方法还可以包括当第一开关M1被驱动以连接第一电流源210和第一输出OUTP时，放大来自第一输出OUTP的信号，并提供从放大的信号到连接到第一电流源210的第一补偿电容Cp'。操作IDAC的方法可进一步包括以第二信号驱动连接在第一电流源210与第二输出OUTN之间的第三开关M3，以第一信号驱动连接在第二电流源212与第二输出OUTN之间的第四开关M4。在一些方面，操作IDAC的方法还可以包括当第二开关M2被驱动以连接第二电流源212和第一输出OUTP时，放大来自第二输出OUTN的信号，并提供放大的信号到连接到第二电流源212的第二补偿电容器Cn'。附加和替代的行为可以从结合附图的上述描述可以理解。例如，第二电流源212可以被连接到一个参考电位(例如地)的参考节点所取代。因此，可能只有单一的补偿电容Cp'和相关的单极驱动器是必要的。可替代地，第一电流源210可以被连接到一个负向参考电位的参考节点所取代，因此可以仅需要单个补偿电容Cn'和相关的单极驱动器。
术语“约”和“大约”在一些实施例中可被用于表示目标尺寸的±20％之内，在一些实施例中可被用于表示目标尺寸的±10％之内，在一些实施例中可被用于表示目标尺寸的±5％以内，或在一些实施例中可被用于表示目标尺寸的±2％。术语“约”和“大约”可包括目标维度。
本文所描述的技术可体现为方法，其中至少一些动作已经描述。作为该方法的一部分所执行的动作可以按任何合适的方式来排序。因此，实施例可以被比上述不同的顺序构造，或可包括同时执行某些动作。此外，某些实施方法可以包括比所描述的那些动作更多，在某些实施方法可以比所描述的那些动作较少。
本申请所述装置和技术的各个方面可以单独使用、组合使用或者以上述实施方式中未特别讨论的各种方式使用，因此在本申请中并不仅限于前面所描述的或者附图所例示的组件的细节和结构。例如，在一个实施方式描述的方面可以与其他实施方式中描述的方面以任何方式组合。
权利要求中使用的序词比如“第一”、“第二”、“第三”等本身并不意味着任何优先级、优先或一个元件相对于另一个元件的顺序或者执行方法中步骤的时间顺序，而是仅仅作为标记用来区分具有某名称的一个元件与具有相同名称(使用序词)的另一元件从而区分这些元件。
并且，这里使用的措辞和术语只是用于描述并不应当视为限制。“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”等旨在包括所列举的项目及其等同物以及附加项目。例如，装置、结构、设备、层或区域被描述为“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”特殊的材料，旨在至少包括所列列举的材料还包括可能存在的其他元件或材料。

Claims (15)

1.一种电流数模转换器，包括：
第一电流源和第二电流源中的至少一个，其中该第一电流源被设置成提供电流到一第一输出，该第二电流源被设置成从该第一输出拉电流；
第一补偿电容和第二补偿电容中的至少一个，其中该第一补偿电容被设置成连接到该第一电流源，该第二补偿电容器被设置成连接到该第二电流源；以及
驱动电路，被设置成提供电流到该第一补偿电容和该第二补偿电容的至少一个。
2.根据权利要求1所述的电流数模转换器，其中该第一补偿电容和该第二补偿电容器被设置为补偿该第一电流源的相关电容和该第二电流源的相关电容。
3.根据权利要求1所述的电流数模转换器，还包括：
一第一开关和一第二开关，被间歇地打开和关闭以从该第一输出推拉电流。
4.根据权利要求3所述的电流数模转换器，其中控制该第一开关的信号也被用来切换该驱动电路，使该驱动电路的一放大器接收并放大该第一输出的输出信号。
5.根据权利要求4所述的电流数模转换器，连接在一Σ-Δ调制器，其中该Σ-Δ调制器具有一采样频率，该放大器的工作带宽大约等于或大于该采样频率。
6.根据权利要求4所述的电流数模转换器，其中该放大器包括：
一第一输入，连接到一参考电压；以及
一第二输入，连接到开关，该开关将该第二输入连接至电流数模转换器的该第一输出或电流数模转换器的该第二输出。
7.根据权利要求1所述的电流数模转换器，还包括：
一第二输出；
一第三开关和一第四开关，被间歇地打开和关闭以从该第二输出推拉电流。
8.根据权利要求1所述的电流数模转换器，其中该第一开关和该第四开关被配置为通过一相同的信号来控制，并且该第二开关和该第三开关控制被配置为通过一相同的信号来控制。
9.一种电流数模转换器，包括：
一第一电流源，设置成提供电流到电流数模转换器的一第一输出或从该第一输出拉电流；
一第一补偿电容，连接到该第一电流源；
一参考节点，连接该第一输出；以及
驱动电路，设置成提供电流到该第一补偿电容。
10.一种将数字信号转换成模拟信号的方法，该方法包括：
驱动连接在一第一电流源与一第一输出之间的一第一开关；
当该第一开关被驱动以连接该第一电流源和该第一输出时，放大该第一输出的一第一信号；
提供该放大的第一信号到一第一补偿电容，该第一补偿电容连接该第一电流源；以及
提供该第一输出至一Σ-Δ调制器。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
驱动连接在该第一输出和一第二电流源之间的一第二开关；以及
提供该放大的第一信号的反向到一第二补偿电容，该第二补偿电容连接该第二电流源。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：选择该第一补偿电容的电容值为基本上等于该第一电流源的相关电容的电容值。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括：选择该第二补偿电容的电容值为基本上等于该第二电流源的相关电容的电容值。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括：
驱动连接在该第一电流源和该电流数模转换器的一第二输出之间的一第三开关；和
驱动连接在该第二输出和该第二电流源之间的一第四开关。
15.根据权利要求14所述的方法，其中该第一开关和该第四开关被配置为通过一相同的信号来控制，并且该第二开关和该第三开关控制被配置为通过一相同的信号来控制。
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